TVS二極管失效機(jī)理與失效分析

常用電路保護(hù)器件的主要失效模式為短路，瞬變電壓抑制器(TVS)亦不例外。TVS一旦發(fā)生短路失效，釋放出的高能量常常會將保護(hù)的電子設(shè)備損壞．這是TVS生產(chǎn)廠家和使用方都想極力減少或避免的情況。

通過對TVS篩選和使用短路失效樣品進(jìn)行解剖觀察獲得其失效部位的微觀形貌特征．結(jié)合器件結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝、工作原理、篩選或使用時所受的應(yīng)力等。采用理論分析和試驗(yàn)證明等方法分析導(dǎo)致7rvS器件短路失效的原因。

分析結(jié)果表明引發(fā)TVS短路失效的內(nèi)在質(zhì)量因素包括粘結(jié)界面空洞、臺面缺陷、表面強(qiáng)耗盡層或強(qiáng)積累層、芯片裂紋和雜質(zhì)擴(kuò)散不均勻等。使用因素包括過電應(yīng)力、高溫和長時間使用耗損等。

1. 引言

瞬變電壓抑制器（ TVS：Transient Voltage Suppressor）是為了解決電子設(shè)備電壓瞬變和浪涌防護(hù)問題而設(shè)計出的一種高性能的電子電路保護(hù)器件，瞬變電壓抑制二極管，主要用于對電路進(jìn)行瞬態(tài)保護(hù)。當(dāng)TVS 管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度把兩端間的阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收一個大電流，從而把它兩端間的電壓鉗制在一個預(yù)訂的數(shù)值上，保護(hù)后面的電路原件不因瞬態(tài)高電壓沖擊而損壞。

國內(nèi)外在電子產(chǎn)品和國內(nèi)高可靠設(shè)備中的應(yīng)用都十分普遍。隨著TVS 使用范圍和使用數(shù)量的增加，TVS 自身的可靠性備受關(guān)注，因?yàn)?TVS 可靠性不僅是 TVS 本身的問題，還關(guān)系到被保護(hù)電子電路的使用可靠性。研究 TVS 的可靠性須對 TVS 的失效模式和失效機(jī)理有深入的了解。

文獻(xiàn)表明 TVS 的失效模式有短路、開路和電特性退化。其中，短路失效最為常見，且對電路的影響最為嚴(yán)重。目前，國內(nèi)對國產(chǎn)TVS短路失效機(jī)理的研究缺乏深度，不夠系統(tǒng)，因此，對國產(chǎn)TVS短路失效機(jī)理進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究十分必要。

2.TVS 短路失效樣品和失效分析程序

在國內(nèi)主要TVS生產(chǎn)廠商的支持下，搜集了有關(guān)國產(chǎn)TVS篩選和使用中短路失效的樣品和篩選應(yīng)力條件或使用條件等失效數(shù)據(jù)，對這些樣品進(jìn)行電參數(shù)測試、開帽、去保護(hù)膠、管芯與電極分離、去焊料和顯微觀察等步驟，找出失效部位，分析引發(fā)TVS短路失效的內(nèi)在質(zhì)量因素或使用因素，以及失效的發(fā)生過程。

其中內(nèi)在質(zhì)量因素即與器件設(shè)計、材料、工藝、組裝、封裝相關(guān)的引起器件失效的因素；使用因素即除內(nèi)在質(zhì)量因素以外的引起器件失效的因素，通常與過電引力、靜電放電、過載、錯誤使用等相關(guān)。

3.引發(fā)短路失效的內(nèi)在質(zhì)量因素和失效機(jī)理

TVS器件主要由芯片、電極系統(tǒng)和管殼3部分構(gòu)成。其中芯片是核心，通常在單晶硅片上采用擴(kuò)散工藝形成。將擴(kuò)散好的芯片經(jīng)過腐蝕成臺面狀、芯片鍍鎳、燒焊、涂保護(hù)膠、封帽、點(diǎn)焊上引線、外引線鍍錫等工序便完成TVS器件的制造。

如果 TVS制造工藝過程中控制不良，則可能造成TVS器件的固有缺陷，使TVS成品率和可靠性降低，在篩選或使用中容易失效。TVS篩選短路失效樣品分析和統(tǒng)計表明，TVS引發(fā)篩選短路的內(nèi)在質(zhì)量因素有很多，各因素的比例如圖 1 所示。這些因素也是使用中引發(fā)TVS短路失效的主要內(nèi)在質(zhì)量因素。

圖1 引發(fā)TVS篩選短路失效的內(nèi)在質(zhì)量因素分布

3.1 芯片粘結(jié)界面空洞

引發(fā)TVS短路的最典型的原因是管芯與內(nèi)引線組件、底座銅片燒結(jié)不良，在燒結(jié)界面出現(xiàn)大面積空洞，如圖2 所示。

空洞可能是由于焊料不均勻或粘結(jié)界面各層材料玷污、氧化使焊料沾潤不良，造成燒焊時焊料與芯片或金屬電極沒有良好的熔合焊接引起的?？斩疵娣e較大時，電流在燒結(jié)點(diǎn)附近匯聚，管芯散熱困難，造成熱電應(yīng)力集中，產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，嚴(yán)重時引起熱奔，使器件燒毀。對這些燒毀的器件進(jìn)行解剖分析，可以看到有芯片局部較深的熔融；空洞面積較小時，可加速焊料熱疲勞，使焊料層會產(chǎn)生疲勞龜裂，引起器件熱阻增大，最終

導(dǎo)致器件過熱燒毀。

3.2 臺面缺陷

TVS臺面缺陷造成的失效常常是批次性的。TVS制造工藝過程中造成芯片臺面損傷的原因主要有兩個：

1）芯片在酸蝕成型時，由于氫氟酸、硝酸混合液配方過濃或溫度過高而反應(yīng)劇烈；

2）燒焊過后進(jìn)行堿腐蝕清洗時，腐蝕液濃度過大、溫度過高而造成堿腐蝕清洗過重。在顯微鏡下觀察堿腐蝕清洗過重的臺面，可以看到臺面有類似被沖刷的痕跡，如圖3所示，這是因?yàn)楣杵冢?，0， 0）晶向被堿腐蝕清洗試劑腐蝕的速率最快。

3、堿腐蝕清洗過重的臺面

臺面缺陷或損傷的TVS器件經(jīng)過溫度循環(huán)和箝位沖擊等篩選試驗(yàn)后，進(jìn)行電參數(shù)測試時通常表現(xiàn)為短路或擊穿特性異常，從而被剔除。但輕微臺面損傷的TVS器件在篩選后電參數(shù)測試時不易被發(fā)現(xiàn)，可能被列為良品出廠。這些TVS器件在使用過程中經(jīng)受長時間熱、電、機(jī)械等應(yīng)力的作用后，臺面缺陷加劇，在缺陷處形成載流子產(chǎn)生復(fù)合中心，使表面反向漏電流大大增加。大的表面反向漏電流使pn結(jié)邊緣溫度升高，產(chǎn)生熱電綜合效應(yīng)，最終導(dǎo)致pn結(jié)邊緣半導(dǎo)體材料溫度過高燒毀。

3.3 表面強(qiáng)積累層或強(qiáng)反型層

即便TVS器件芯片臺面完好，TVS短路失效也容易發(fā)生在表面。這是由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性在表面上中斷，加上半導(dǎo)體表面往往存在許多磨片、拋光、噴砂、切片等引起的晶格缺陷，吸附腐蝕時殘留的化學(xué)品、氣體或其它污染物，會使半導(dǎo)體表面帶電。表面電荷被保護(hù)膠鈍化，并吸附或排斥半導(dǎo)體體內(nèi)的自由載流子，在pn結(jié)邊緣形成表面積累層、耗盡層或反型層等表面空間電荷層。

在外加電壓的作用下，強(qiáng)積累層或強(qiáng)反型層使pn結(jié)邊緣電場強(qiáng)度大于體內(nèi)，如圖4所示。因此，pn結(jié)邊緣部分在比額定擊穿電壓低的電壓下便達(dá)到臨界電場而發(fā)生載流子倍增效應(yīng)，造成pn結(jié)邊緣電流集中，功率密度過大，溫度過高而燒毀。

圖 4 外加反向電壓作用下表面積累層對體內(nèi)耗盡區(qū)的作用

3.4 芯片裂紋

芯片裂紋是引起TVS短路失效的又一重要內(nèi)在質(zhì)量因素。它可能是由磨片、拋光、噴砂、切片等殘留應(yīng)力以及燒結(jié)后殘留變形等因素引起，也可能是由于溫度變化時保護(hù)膠和電極系統(tǒng)對芯片熱不匹配應(yīng)力而引起。細(xì)微裂紋在高低溫循環(huán)，脈沖沖擊或機(jī)械振動作用下會增大。

如果裂紋在pn結(jié)處，則引起TVS器件反向漏電流增大；如果裂紋在pn結(jié)附近，將會導(dǎo)致裂紋處載流子復(fù)合，裂紋附近載流子數(shù)目減少，pn結(jié)特性變壞。這兩種情況都能使TVS器件反向功率負(fù)荷能力下降。

3.5 雜質(zhì)擴(kuò)散不均勻

TVS的芯片通常是在一定電阻率的P型或N型硅片上先進(jìn)行磷擴(kuò)散后進(jìn)行硼擴(kuò)散形成的。如果擴(kuò)散工藝過程中出現(xiàn)硅片電阻率軸向或徑向不均勻，雜質(zhì)濃度不均勻，體內(nèi)缺陷（位錯、層錯、微缺陷）或pn結(jié)表面不平整等情況，將會造成硅片摻雜不均勻，使硅片各處擊穿電壓不同，從而使器件擊穿時管芯電流分布不均勻，多次浪涌沖擊后局部燒毀。

4.1 過電應(yīng)力

當(dāng)瞬態(tài)脈沖能量超過TVS所能承受能量時會引起TVS器件過電應(yīng)力損傷，特別是當(dāng)瞬態(tài)脈沖能量達(dá)到TVS所能承受能量的數(shù)倍時會直接導(dǎo)致TVS器件過電應(yīng)力燒毀，失效模式表現(xiàn)為短路。過電應(yīng)力短路失效的TVS芯片在掃描電鏡下觀察，可發(fā)現(xiàn)pn結(jié)表面邊緣的熔融區(qū)域或體內(nèi)硅片的上表面和下表面的黑斑。

試驗(yàn)表明，發(fā)生在結(jié)表面邊緣過電應(yīng)力短路失效通常是由持續(xù)時間極短（ns 級）的高能量瞬態(tài)脈沖所致，例如：EMP、ESD 產(chǎn)生的脈沖；體內(nèi)過電應(yīng)力失效通常是由持續(xù)時間稍長（μs 級以上）高能量脈沖所致，例如：電快速瞬變，雷電產(chǎn)生的脈沖。如果高能量瞬態(tài)脈沖持續(xù)時間介于ns級和μs之間，則短路可能發(fā)生在結(jié)邊緣表面，也可能發(fā)生在體內(nèi)。

這一結(jié)果可通過熱傳導(dǎo)速率、硅和電極金屬的熔融溫度得到解釋。如圖5所示，pn結(jié)邊緣到熱沉的傳熱路徑比體內(nèi)長，傳熱較體內(nèi)慢，因此結(jié)邊緣溫度比體內(nèi)高。持續(xù)時間極短（ns 級）的高能量瞬態(tài)脈沖使邊緣溫度急劇升高，導(dǎo)致邊緣熱擊穿而燒毀。而持續(xù)時間較長（μs 以上）脈沖使邊緣熱量有足夠的時間傳至芯片中心周圍。隨著芯片溫度的升高，芯片中心周圍產(chǎn)生熔融通道。

當(dāng)熔融從芯片的一表面延伸到另一表面時，硅片溫度超過1400 ℃，處于熔融和非晶狀態(tài)，成為導(dǎo)體，形成導(dǎo)電通路，使芯片短路。如果脈沖持續(xù)時間達(dá)到ms級，例如，雷電產(chǎn)生的脈沖，還會使鉛錫焊料達(dá)到700 ℃以上而發(fā)生熔融。

圖 5-TVS 芯片表面?zhèn)鳠崧窂?/p>

4.2 高溫

當(dāng)TVS器件工作溫度超過其最大允許工作溫度時，易發(fā)生短路失效且通常發(fā)生在pn結(jié)表面。這是因?yàn)?，在高溫條件工作下，表面可動離子的數(shù)量大大增加，表面電流也隨之增大，表面功率密度和溫度比體內(nèi)高，使pn結(jié)邊緣結(jié)溫超過200℃，邊緣局部區(qū)域晶格遭受致命性的損壞。TVS在高溫反偏篩選中短路失效情況統(tǒng)計表明：高擊穿電壓（150 V 以上）TVS器件更容易發(fā)生短路失效。這是因?yàn)樵谙嗤~定功率的 TVS系列中，在承受相同功率時，高擊穿電壓TVS芯片溫升更高。

4.3 長時間工作耗損

對篩選合格的TVS器件進(jìn)行浪涌壽命試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)TVS器件經(jīng)過成千上萬次標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)脈沖（所能承受的浪涌脈沖次數(shù)與質(zhì)量等級相關(guān)）沖擊后失效，失效模式通常為短路。對失效樣品進(jìn)行解剖后，在掃描電鏡下觀察芯片，發(fā)現(xiàn)結(jié)邊緣發(fā)生熔融現(xiàn)象和結(jié)邊緣焊料結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，且結(jié)最邊緣處最為嚴(yán)重。

失效機(jī)理可能結(jié)邊緣焊料形成金屬化合物而脆化，使管芯與底座熱沉逐漸分離，結(jié)邊緣的散熱能力降低，長時間工作結(jié)溫持續(xù)增大導(dǎo)致過熱燒毀。

結(jié)束語

內(nèi)在質(zhì)量因素引起TVS短路失效的機(jī)理主要是TVS制造工藝過程造成的芯片缺陷或損傷使TVS在承受脈沖沖擊時芯片局部電流集中，導(dǎo)致芯片局部過熱而燒毀。引發(fā)TVS短路的使用因素主要有過電應(yīng)力、高溫和長時間使用耗損。在TVS實(shí)際使用中，TVS短路失效可能是各種因素綜合作用的結(jié)果。

要減少TVS短路失效，首先應(yīng)加強(qiáng)TVS制造工藝過程的控制，尤其是對燒焊、臺面成型、堿腐蝕清洗、摻雜等工藝過程的控制，以減少或消除TVS的固有缺陷。例如：國際上采用先進(jìn)的燒焊工藝已能將空洞面積控制在10%以下，采用離子注入摻雜能對摻雜過程進(jìn)行更好的控制，這些都大大提高了TVS的可靠性。

其次，做到TVS的正確選型與安裝，最好對TVS進(jìn)行降額使用，這樣可使TVS承受的功率較小，使用可靠性大大增加。此外，為使TVS發(fā)生短路失效時對被保護(hù)電子設(shè)備的影響降到最低，通常可在TVS前串接一條與之匹配的保險絲。